新的旋转爆炸引擎可以实现更便宜，更轻的航天器

Soyuz SpaceCraft于2017年在2017年在哈萨克斯坦的Baikonur Cosmodrome推出，使用传统的燃料密集型发动机。UW研究人员开发了一种数学模型，描述了一种新型的发动机 - 承诺使火箭能够节省火箭效率，更轻便，更复杂的构建作品。

它需要很多燃料来发射空间。将NASA的航天飞机进入轨道需要超过350万磅的燃料，这比蓝鲸在大约15倍。

但是，一种新型的发动机 - 称为旋转爆轰发动机 - 承诺使火箭队不仅更加省油，而且更轻薄，而且对构造更轻而且更复杂。只有一个问题：现在，此引擎太不可预测，可用于实际火箭。

华盛顿大学的研究人员开发了一种数学模型，描述了这些引擎的工作原理。通过这些信息，工程师可以首次开发测试以改善这些引擎并使它们更稳定。该团队于2020年1月10日在物理审查E中发表了这些调查结果。

“旋转的爆炸发动机领域仍处于起步阶段。我们有大量关于这些引擎的数据，但我们不明白发生了什么，“航空航天省博士生博士生詹姆斯·科赫说，澳大利亚州航空公司的博士生。“我试图通过查看模式形成而不是提出工程问题 - 例如如何获得最高的表演引擎 - 然后繁荣来重新询问我们的结果 - 这使得它有效。”

传统的火箭发动机通过燃烧推进剂工作，然后将其从发动机背面推出以产生推力。

“旋转的爆炸引擎采用不同的方法来燃烧推进剂，”Koch说。“它由同心气缸制成。推进剂流动在气缸之间的间隙中，并且在点火之后，快速热释放形成冲击波，强大的气体脉冲具有明显更高的压力和温度，这些气体比声速更快地移动。

为了开始反应，推进剂流动在气缸之间的间隙中，并且在点火之后，快速热释放形成冲击波（在11秒开始）。在此启动阶段之后，一系列稳定的燃烧脉冲形式，继续消耗可用推进剂。

“这种燃烧过程实际上是一种爆炸​​ - 一种爆炸 - 但在这个初始启动期后面，我们看到了一些稳定的燃烧脉冲形式，继续消耗可用推进剂。这产生了高压和温度，驱动高速推出发动机后部的高压和温度，这可以产生推力。“

传统的发动机使用大量机器来指导和控制燃烧反应，以便它产生推动发动机所需的工作。但在旋转爆轰发动机中，冲击波自然地确实一切都在不需要发动机部件的额外帮助。

“燃烧驱动的冲击自然地压缩了流动，因为它们在燃烧室周围行进时，”Koch说。“缺点是，这些爆炸有自己的思想。一旦你爆炸了一些东西，它就去了。这是如此暴力。“

研究人员首先开发了一种实验旋转爆炸发动机（这里示出），在那里它们可以控制不同的参数，例如汽缸之间的间隙的尺寸。进料管线（右）将推进剂流入发动机。在内部，还有另一个圆筒同心的外部件。传感器沿着圆柱体的长度伸出发动机（左）的顶部。相机将位于左侧，从发动机的后端看。

为了能够能够描述这些引擎的工作方式，研究人员首先开发了一种实验旋转爆轰引擎，可以控制不同的参数，例如气缸之间的间隙的尺寸。然后他们用高速相机记录燃烧过程。每个实验只需要0.5秒才能完成，但研究人员每秒240,000帧记录这些实验，因此他们可以看到慢动作发生的事情。

从那里，研究人员开发了一种数学模型来模仿他们在视频中看到的东西。

“这是目前能够描述我们在实验中观察到的这些旋转爆炸发动机的佩戴和复杂动态的唯一模型，”应用数学的UW教授J. Nathan Kutz联合作用。

该模型允许研究人员首次确定这种类型的发动机是否是稳定或不稳定的。它还允许他们评估特定发动机的表现如何。

在初始冲击波之后，稳定的燃烧脉冲继续消耗可用推进剂。以前的研究人员不明白如何形成特定数量的脉冲以及为什么它们有时可以合并成一个脉冲，但这种数学模型可以帮助解释底层物理学。

“这种新方法与现场的传统智慧不同，它的广泛应用和新的见解对我来说是一个完全惊喜，”航空航天驻航空公司的UW研究副教授联合作用Carl Knowlen表示。

现在，该模型对工程师来说并不完全准备好使用。

“我的目​​标是仅仅是重现我们看到的脉冲的行为 - 以确保模型输出类似于我们的实验结果，”Koch说。“我已经确定了主导物理学以及它们的相互作用。现在我可以采取我在这里完成的事情并使其定量。从那里，我们可以谈谈如何制作更好的发动机。“

参考：“锁定旋转爆轰波：James Koch，Mitsuru Kurosaka，Carl Kurnlen和J. Nathan Kutz，1月10日的实验和模型方程式，物理评论E.Doi：
10.1103 / physreve.101.013106

Mitsuru Kurosaka是航空航天和航天教授的UW教授，也是本文的合作。本研究由美国空军科研办公室和海军研究办公室资助。